一种能用低温余热驱动的热气机

技术领域

本发明涉及一种往复活塞式发动机。特别是涉及一种以气体为工质的闭式循环往复活塞热力发动机。

背景技术

热力发电始终是全球发电量的主力，目前采取的主要生产方式是：燃料在锅炉中燃烧加热水成为蒸汽，蒸汽压力推动汽轮机旋转，然后汽轮机带动发电机旋转进行发电。目前，这种发电方式的热能利用率最高只能达到35％左右。

根据热力学第一定律Q＝U+W，物体吸收的热量等于内能的增加和对外界做功。根据W＝P·dV，在定压下，物质吸收热量后体积膨胀才能对外做功。不同的物质加热后产生的体积膨胀量不同，吸收热量少膨胀量大的物质，对外做功多，转化为内能的能量少，相反，吸收热量多膨胀量小的物质，对外做功少，转化为内能的能量多。不同的物质比热容不同，体积膨胀系数也不同，所以不同的物质，膨胀吸热率不一样。为了反应物质膨胀吸热率的大小，给出如下计算公式：

注：ΔE＝CρvΔt，ΔV＝vαΔt，C为比热容，ρ为密度，α为体积膨胀系数，v为系统初始状态下的体积，Δt为温度差。

在常压下，得到下表1-1中所列物质的膨胀吸热率H的值：

表1-1：不同物质的H值计算

从微观结构分析，不同物质的比热容不同，主要是因为原子之间的键能有所差别，其次是分子之间的范德华力有所差别。物质吸收的热量转化成了化学键的键能和分子之间的势能。例如：水分子是包含3个原子的极性分子，水分子吸热后，能量被H-O键吸收，转变为H-O键的键能。同时，水分子之间的距离加大，分子之间的势能增加，表现为体积膨胀。将物质的比热容换算成摩尔热容，既1mol物质温度升高1度所吸收的热量为摩尔热容量。计算公式如下：

C

注：C为单位质量比热容，M为摩尔质量。

如表1-2所示物质的摩尔热容量就可以对比发现：单原子分子的摩尔热容量较小，多原子分子的摩尔热容量较大；惰性气体的摩尔热容量较小；分子中原子之间的键能大的摩尔热容量大；分子与分子之间作用力小的摩尔热容量小。例如：常温下气态物质分子间作用力小，固态物质分子间作用力大，液态物质分子间作用力介于气态和固态之间，金属汞在常温下呈液态，摩尔热容却比其它金属高，证明汞是双原子分子。

表1-2：物质的摩尔热容量

通过分析表明，水分子吸热后，能量被H-O键吸收，水吸收的热量大部分转化为化学键的键能，这部分能量不能对外做功，并且在循环过程中需要被冷却。所以热力发电厂采用水作为循环介质并不合理。

水随着温度升高，膨胀吸热率H的值逐渐减小，对外做功的能力提高。水在液态20～100℃时，加热吸收的能量多，100℃后加热吸收的热量逐渐减少。热力电厂的汽轮机只能利用高温高压的水蒸气，通过汽轮机做功之后的乏汽携带了大量的热能，需要通过冷却后才能继续循环利用，导致能量损失。电厂为了提高热能利用率，可将水加热到更高的温度，但是比较困难。

提高热能利用率，一方面可以选用接近理想气体的物质作为介质，如惰性气体氦气、氖气、氩气等，惰性气体是单原子分子，摩尔热容量最小，膨胀吸热率较低，能够很好的将热能转化为机械能，理想状态下，惰性气体的热工转化效率为2R/2.5R＝80％(R为热力学常数，R＝8.314J/molK)，从而提高热能利用率。另一方面，发明一种能够利用余热发电的设备，从而避免热能损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能用低温余热驱动的热气机，采用惰性气体作为热气机的循环工质，提高热能利用效率，利用低温余热为热源，将余热转化成机械能。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：制作两个气室和一个活塞装置及传动装置，活塞装置由两个连接在一起的活塞缸组成，两个活塞缸顶面连通，并且在活塞顶面的活塞缸内灌入液压油，液压油的作用是传递两个活塞的压力，使两个活塞同步运动。每个活塞缸各连接一个气室，通过循环改变两个气室内气体的温度，使活塞装置内部产生压强差推动活塞循环往复运动，活塞在往复运动过程中通过传动装置驱动飞轮旋转。

气室内部充满高压(压力超过1MP)气体，通过改变气室内气体的温度形成压强差推动活塞做功，气室内的气体不会被消耗，从而可以使用惰性气体。在气室内部布置散热管，可通入高温流体给气室内的气体加热，在气室表面布置冷却系统给气室内的气体降温。通过循环加热或冷却气室内的气体，使两个气室内的气体产生温差，形成压强差推动活塞运动。

为了提高热气机的能量转化效率，需要在热气机的两个气室之间连接一个阀门，每次给一个气室加热转变为给另一个气室加热时，都会开启这个阀门使两个气室内的压强恢复平衡。

传动装置是在活塞杆上面安装棘爪，通过棘爪带动链条转动，再通过链条驱动飞轮旋转。

本发明提供的热气机具有以下优点：

可以利用低温热源，只要两个气室的温差高于10℃以上就可以用来发电，假设气室内气压为10MP，活塞直径20cm，则温度升高1℃，压力升高36.74KPa，活塞产生推力11.5KN，如果温度变化10℃，活塞产生推力115KN，推力巨大。

适应能力强，只要能让两个气室交替产生正负温差，就能让热气机运转。

可利用范围广，包括电厂的余热乏汽，化工厂的冷却水，地表温泉、太阳能、炼钢厂、水泥厂的废热等都可以使热气机运转。也可利用汽车、轮船、各种施工机械发动机的余热产生动力。

设备在运行过程中噪音小，无振动。并且设备所需的零件数量少，容易加工制造，且维护成本低。

可以采用惰性气体为工质，热能转化效率大大提高。

附图说明

图1是热气机的整体构造示意图，其中(1)是热气机的两个气室；(2)是气室内部的散热管；(3)是活塞；(4)是飞轮；(5)是两个气室之间的阀门；(6)是气室与活塞之间的连接管道，(7)是气室表面的冷却系统。

图2-1是活塞装置及传动装置的细部构造示意图，其中(10)是1号活塞缸，(11)是2号活塞缸，(12)是液压油，(13)是活塞杆。

图2-2是图2-1中A-A的剖面图，其中(14)是活塞杆上的棘爪，(15)是链条，(16)是链轮，(圆圈内部的图形是箭头所指位置的局部放大图)。

具体实施方式

如图1所示：热气机有两个气室(1)，两个气室(1)之间采用阀门(5)相连，开启阀门(5)可以使两个气室内的压强回复平衡。两个气室(1)分别采用管道(6)与活塞装置相连。气室内部安装有散热管(2)，散热管(2)可通入高温流体给气室内部的气体加热。气室外面安装冷却系统(7)，可以给气室内部的气体降温。只要给两个气室内的气体(1)制造温差，就会在活塞装置内部形成压强差驱动活塞(3)运动，活塞(3)通过传动装置驱动飞轮(4)旋转。

如图2-1及2-2所示：1号活塞缸(10)与2号活塞缸(11)的顶端相通，在活塞(3)顶面的活塞缸内冲入液压油(12)，活塞杆(13)上面安装有棘爪(14)，在活塞向上运动的时候，棘爪(14)带动链条(15)转动，链条(15)带动链轮(16)旋转，飞轮(4)跟着链轮(16)一起旋转。

让热气机的两个气室阶段性循环产生温差，就能让热气机运转。例如：将热气机放置在自然环境中，可在散热管(2)内通入热水或热气给两个气室阶段性加热，利用气室表面的冷却系统(7)给气室冷却降温。如果把热气机放置在高温环境中，可在散热管(2)内通入冷水给两个气室阶段性降温，利用气室表面吸受热量。

具体循环过程为：先给一个气室加热，给另一个气室降温，气室产生的压强差通过连接管道(6)传递给活塞，推动活塞(3)运动。当一个气室的温度升高到接近散热管内介质的温度后，开启两个气室之间的阀门(5)，让两个气室的压力恢复平衡后关闭。然后给冷却的气室加热，让高温的气室冷却，两个气室重新产生压强差推动活塞(3)向相反的方向运动，重复上述过程形成循环做功。

为了保证热源连续不断的被热气机利用，可以制造多台热气机同时工作，实现热源持续利用。例如：利用火力发电厂或化工厂的余热发电，可安装多台热气机形成机组，将热水阶段性的通入气室内部的散热管(2)给气室加热，利用冷却系统(7)给气室降温。有热水流入气室内部的散热管时，气室内的惰性气体吸热膨胀，推动活塞做功，停止通入热水时，气室通过冷却系统(7)及表面散热，气室温度下降后可重复通入热水给气室加热。

气室的外形可根据使用场合进行设计，散热管也可根据热源的污浊程度进行设计，以适应不同热源和工作场合。例如：在施工机械、轮船或重型卡车上利用内燃机的尾气给气室加热时，可将散热管改成内燃机的烟道，采用4个气室推动两个活塞装置运转。将内燃机排出的尾气阶段性的通入4个气室内的烟道给气室加热，利用气室表面的冷却系统给气室冷却降温，热气机就能持续运转。